高精度型面檢測修整技術在碳纖維反射面制造中的應用

李晟超 田 杰 鞠博文 郝旭峰 王曉蕾

高精度型面檢測修整技術在碳纖維反射面制造中的應用

李晟超1, 2田 杰1, 2鞠博文1, 2郝旭峰1, 2王曉蕾1, 2

（1. 上海復合材料科技有限公司，上海 201112；2. 上海航天樹脂基復合材料工程技術研究中心，上海 201112）

面向碳纖維反射面的高精度制造的迫切要求，提出了一種針對各向異性碳纖維復合材料的高效修整方法，通過控制加工時間，優(yōu)化工藝參數(shù)，分別對平面與曲面反射面進行了加工試驗。探究了壓強、轉速和進給速度等加工參數(shù)對不同面形去除效率以及去除穩(wěn)定性的影響，經(jīng)過多次迭代加工，使1.4m碳纖維復合材料天線反射面的初始面形精度從21.5μm收斂到12.9μm，以及碳纖維復合材料1m瓜瓣反射面的初始面形精度從17.6μm收斂到3.0μm。實現(xiàn)了碳纖維復合材料高精度的修整加工，證明了該型面修整方法的可行性和有效性。

碳纖維復合材料；反射面；檢測修整；面形精度；高精度

1 引言

由于傳統(tǒng)天線面板制造精度差，精密銑削無法加工質地軟、粘彈性的表面樹脂層，導致目前大型天線反射面面形精度無法滿足新需求[1]。為提高大型天線反射面面形精度，避免加工精度受機床運動精度限制，基于時空四維控制的研磨修整加工技術，通過控制研磨駐留時間，控制材料去除量，實現(xiàn)大型天線反射面的高精度加工[2]。

碳纖維復合材料在機加工過程中，基體和纖維復雜的相互作用，使切削待加工零件的物理特性與金屬有很大不同。由于碳纖維的不均勻性和各向異性，加工時會導致纖維的拉出和基質纖維的脫離。以及較高耐熱性和耐磨損性使刀具磨損嚴重，并且產(chǎn)生的切削熱較大[3～5]。一般來說，天線主要包括主反射面、副反射面和饋源等，主、副反射面分別為曲面和平面兩種面形[6]。大面積曲面存在一定的曲率，需要用到空間自由曲面五軸聯(lián)動數(shù)控加工，與研磨平面的工藝有較大的區(qū)別。

采用一定比例的研磨液加工碳纖維復合材料，避免產(chǎn)生過多摩擦熱，有利于切屑的轉移[7]。為滿足碳纖維復合材料在大型天線反射面的需求，探索應用在碳纖維反射面制造中的高精度型面檢測修整技術，具有極其重要的應用價值。本文基于直徑1.4m反射面和1m瓜瓣反射面，通過型面檢測修整試驗，探索合理的研磨工藝，分析不同面形的研磨效果，不斷優(yōu)化研磨工藝參數(shù)，使其面形精度達到設計要求。

2 型面檢測修整的關鍵技術研究

2.1 研磨機理

基于碳纖維復合材料研磨試驗，研究型面修整技術。研磨加工工具通過自轉運動和公轉運動合成為行星運動，產(chǎn)生具有類高斯形狀的去除函數(shù)。研磨時，可通過改變施加在研磨盤上的壓力，實現(xiàn)金剛砂和待加工表面之間接觸壓力的調整。研磨過程中，金剛砂在研磨盤的壓力作用下，使研磨液壓附在工件表面，同時金剛砂會在工件表面產(chǎn)生一定的研磨壓力。當研磨盤帶動研磨液轉動時，磨粒在工件表面產(chǎn)生擠壓、摩擦，實現(xiàn)對工件表面材料的去除。

2.2 研磨工藝

圖1 型面檢測修整流程

本試驗所采用的研磨工藝為恒力控時加工方法，型面檢測修整流程如圖1所示。首先測得待加工碳纖維反射面的面形精度數(shù)據(jù)，然后通過檢測修整工藝軟件以及誤差云圖分析軟件計算出待加工表面上各個位置的加工時間，并通過數(shù)控機床的進給速度控制加工時間，同時通過恒壓控時裝置的恒壓氣缸提供恒定壓力輸出，保證研磨加工過程中，加工壓力處于恒定狀態(tài)，實現(xiàn)對材料的恒力加工。最后通過不斷的迭代加工，以達到設計要求。

3 型面檢測修整試驗

3.1 試驗裝置

型面檢測修整工具是高精度型面檢測修整設備，該機床主要用于大型復合材料天線反射面及其模具的高精高效制造，分別配備加工單元模塊和檢測單元模塊，配套相應的加工及檢測工藝軟件。加工工藝軟件模塊主要實現(xiàn)相關加工數(shù)據(jù)的處理和加工程序生成，檢測工藝軟件模塊主要實現(xiàn)檢測程序生成、數(shù)據(jù)點云獲取和型面誤差評價。

3.2 平面反射面型面檢測修整

平面反射面的型面檢測修整以直徑1.4m反射面為例。該反射面是碳蜂窩夾層結構，零件總高度為70mm，其中蒙皮的厚度分別1.6mm，碳管直徑為40mm。反射面直徑大、蒙皮薄和邊緣剛性差等結構特點，研磨加工存在的難點有：研磨加工時，材料去除率過大，加工產(chǎn)生的內應力會使零件產(chǎn)生變形。反射面內蒙皮是由碳管支撐，碳管材料為高模量碳纖維增強氰酸酯，而碳管壁厚小于0.35mm，碳管之間用環(huán)氧膠粘劑粘接，連接強度弱，加工過程會出現(xiàn)抖刀現(xiàn)象，材料去除不穩(wěn)定，使反射面面形精度變差。因此，需要采用合理的裝夾和工藝參數(shù)，才能有效提高反射面的面形精度。

圖2所示為直徑1.4m反射面定位裝夾在機床工作臺上，碳纖維天線下方的埋件放置在6塊等高塊上，四周用壓板固定。其中圖2a為使用一定比例的研磨液加工反射面內蒙皮上表面，圖2b為采用三坐標測量儀獲取面形精度數(shù)據(jù)。

圖2 直徑1.4m反射面加工及測量

表1為研磨加工直徑1.4m反射面的工藝參數(shù)，以及每次加工完測得的面形精度數(shù)據(jù)。由表1中加工編號2可以看出，單次的研磨時間過長，表面材料的去除量過大，使面形精度下降，并且后續(xù)加工未能使峰谷值有效減少，嚴重影響產(chǎn)品表面質量。一方面，這是由于機床的最大運行速度設置值較小，單位面積的加工時間較長，而小磨頭氣壓為0.3MPa，此時的研磨壓力較大。因此，在加工過程中，經(jīng)過面形較低的位置，仍存在較大的去除量。另一方面，由于高模量碳纖維增強氰酸酯具有各向異性的特點，導致材料去除率存在不穩(wěn)定性。由編號4～7可以看出，在優(yōu)化后的加工參數(shù)和合理的加工時間下，面形精度與研磨時間成正相關。

根據(jù)編號1～3的加工參數(shù)以及面形結果，得出了較好的工藝參數(shù)組合，對于高模量碳纖維增強氰酸酯材料，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，合理控制研磨時間，面形精度能穩(wěn)定提高。經(jīng)過7次迭代研磨加工，面形精度提高了8.6μm。

表1 研磨加工參數(shù)及結果

圖3為每次研磨加工完之后，通過誤差云圖分析軟件模擬計算得到直徑1.4m反射面的型面均方根、面形高度云圖和峰谷值等。其中圖3a～圖3h分別對應表1中的編號0～7。通過誤差云圖可以看出，經(jīng)過第一次研磨，工件面形高度云圖發(fā)生顯著的變化，由局部大面積高的區(qū)域轉變成零散錯落的高低分布。經(jīng)過連續(xù)7次型面檢測修整，最后的面形高度云圖顏色趨于一致，面形輪廓云圖整體坡度平緩。

圖3 直徑1.4m反射面誤差云圖

3.3 曲面反射面型面檢測修整

曲面反射面的型面檢測修整以單塊瓜瓣反射面為例，該反射面采用內蒙皮、格柵夾芯與外蒙皮組成。瓜瓣面長度約為1m，總厚度為70mm，其中內、外蒙皮分別為2.5mm，夾芯厚度為65mm，格柵厚2mm，間距為50mm。

1m瓜瓣反射面放置在基于外蒙皮面形的工裝上，四周再用壓板對產(chǎn)品及工裝固定，防止研磨過程中產(chǎn)品出現(xiàn)晃動。由于瓜瓣反射面存在較大的曲率，需要使用一定曲率的小磨盤研磨加工內蒙皮的上表面，以及采用三坐標測量來獲取面形精度數(shù)據(jù)。

瓜瓣反射面的加工參數(shù)及結果如表2所示，瓜瓣反射面通過12次的迭代加工，面形精度提高了14.6μm，實現(xiàn)了碳纖維復合材料高精度的修整。由表2中可以看出，小磨頭氣壓始終恒定在0.2MPa，而最低進給速度存在變化，是由于加工軟件根據(jù)加工后測得的面形精度數(shù)據(jù)，控制零件不同位置的加工時間，精確控時去除反射面高點。

表2 研磨加工參數(shù)及結果

圖4 瓜瓣反射面面形精度變化趨勢圖和初始誤差云圖

圖4a為瓜瓣反射面隨著不斷的研磨加工，其面形精度和峰谷值的變化趨勢圖。由圖4a可以看出，值和值呈現(xiàn)下降的趨勢，特別是值下降的比較穩(wěn)定，即反射面的面型精度在逐步提高。在加工到第四次后，值下降比較平緩，是因為在前三次的研磨工藝后，待加工表面的極高區(qū)域已經(jīng)被去除，值仍在穩(wěn)定提高。因此，針對工藝要求的不同，所選擇的工藝方法和工藝參數(shù)有很大不同。

圖4b和圖5分別對應表2中加工編號0及4～12的誤差云圖，其中編號0～4是利用攝影測量方法對瓜瓣反射面進行測量，圖5a～圖5i是采用三坐標測量機進行測量。第3次加工之后的面型精度未能提高，是由于面形精度測量方式的改變，三坐標測量能夠測得反射面表面氣泡內的面形數(shù)據(jù)。從面形高度圖中可以看出，經(jīng)過不斷研磨，面形高度圖由分布集中轉變?yōu)殄e落分布，最終顏色趨于一致。編號7～12為加工區(qū)域分為兩塊，從而保證加工過程中，研磨盤不經(jīng)過面形低的區(qū)域，即不對該范圍進行有效去除。由圖5g～圖5i中可以發(fā)現(xiàn)，反射面中間部分的相對高度在逐步增加。試驗結果表明，基于這種型面檢測修整技術，最后測得瓜瓣反射面面形精度達到3.0μm，達到設計要求。

圖5 瓜瓣反射面誤差云圖

4 結束語

本文通過一種型面檢測修整的方法，在高精度型面檢測修整設備上對平面和曲面反射面進行了研磨加工，總結了不同工藝參數(shù)的迭代加工對高模量碳纖維增強氰酸酯材料去除效率的影響規(guī)律，分析了每次加工后的誤差云圖變化，從而優(yōu)化工藝參數(shù)，實現(xiàn)對碳纖維反射面可控并有效去除。采用三坐標測量機測量碳纖維反射面，所得數(shù)據(jù)通過誤差云圖分析軟件評價反射面的特定面形。經(jīng)過多次迭代加工，直徑1.4m反射面面形精度從初始的面形精度21.5μm收斂到12.9μm，以及碳纖維復合材料1m瓜瓣反射面的初始面形精度從17.6μm收斂到3.0μm，峰谷值減少了450μm。試驗結果表明，基于這種型面檢測修整技術，能夠達到設計要求。

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7 高航，袁和平. 碳纖維復合材料構件干磨削砂輪研制及其加工性能研究[J]. 兵工學報，2011，32(2)：186～192

Application and Exploration of High-precision Profile Inspection and Trimming Technology in The Manufacture of Carbon Fiber Reflective Surfaces

Li Shengchao1, 2Tian Jie1, 2Ju Bowen1, 2Hao Xufeng1, 2Wang Xiaolei1, 2

(1. Shanghai Composite Material Science & Technology Co. Ltd., Shanghai 201112; 2. Shanghai Engineering Technology & Research Center of Aerospace Resin Based Composite, Shanghai 201112)

Facing the urgent requirement of high-precision manufacturing of carbon fiber reflective surfaces, an efficient trimming method for anisotropic carbon fiber composites was proposed. By controlling the processing time and optimizing the process parameters, the flat and curved reflective surfaces are processed respectively test. The removal efficiency and removal stability of different surface shapes by processing parameters, such as pressure, rotational speed and feed speed were explored. After multiple iterative processing, the initial surface shape accuracy of the1.4m carbon fiber composite antenna reflector was converged from 21.5μm to 12.9μm, and the initial surface shape accuracy of the 1m melon reflective surface of the carbon fiber composite material converges from 17.6μm to 3.0μm, which realizes the high-precision trimming of the carbon fiber composite material, which proves the feasibility and effectiveness of the surface trimming method.

carbon fiber composite material；reflective surface；inspection and trimming；surface shape accuracy；high precision

TH164

A

國家重點研發(fā)計劃（2019YFA0708901）。

李晟超（1994），助理工程師，機械制造及其自動化專業(yè)；研究方向：高精度復合材料天線反射面研究。

2022-09-15